Radosław MIESZKOWSKI1 , Sebastian KOWALCZYK , Marek

SYMPOZJUM 2014: Geofizyka stosowana w zagadnieniach górniczych, inżynierskich
i środowiskowych
Mat. Symp. str. 158–170
Radosław MIESZKOWSKI1, Sebastian KOWALCZYK1, Marek
BARAŃSKI2, Tomasz SZCZEPAŃSKI1
1
2
Wydział Geologii Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa
Państwowy Instytut Geologiczny-Państwowy Instytut Badawczy, Warszawa
Zastosowanie metod geofizycznych do rozpoznania powierzchni stropowej
gruntów słabo przepuszczalnych oraz wyznaczania stref rozluźnienia
w korpusie zapory ziemnej
Słowa kluczowe
tomografia elektrooporowa (ERT), georadar (GPR), metoda sejsmiki fal powierzchniowych
CSWS/SASW, sejsmika refrakcyjna, zapora ziemna
Streszczenie
Metody geofizyczne wykorzystywane jako badania uzupełniające przy badaniu podłoża
umożliwiają ocenę jakościową zmienności warunków gruntowych w strefie
przypowierzchniowej. Informacje te są szczególnie istotne w monitoringu podłoża budowli
hydrotechnicznych. W artykule przedstawiono badania geofizyczne wykonane w rejonie
zapory ziemnej, mające na celu wskazanie miejsc rozluźnienia gruntówwobrębie zapory oraz
określenie głębokości stropu gruntów spoistych występujących pod zaporą. Zastosowano
metody: tomografii elektrooporowej (ERT), georadarową (GPR), sejsmiki refrakcyjnej, dające
dwuwymiarowy obraz zmian fizycznychwośrodku oraz sejsmikę fal powierzchniowych
-Continuous Surface Wave System (CSWS), dzięki której otrzymano profil 1D parametrów
sztywności ośrodka w punkcie pomiarowym. Opierając się na rezultatach badań ERT oraz
sejsmice refrakcyjnej, odniesione do danych z wierceń, opracowano mapę powierzchni
stropowej gruntów słabo przepuszczalnych. Anomalie uzyskane w wyniku interpretacji
przeprowadzonych badań geofizycznych pozwoliły na oszacowanie strefrozluźnienia gruntu,
które mogąbyćwywołane procesem sufozji. Zaobserwowane anomalie, na wybranych
obszarach, zostały skorelowane z wierceniami oraz sondowaniami statycznymi (CPT), co
pozwoliło na zrealizowanie postawionego celu oraz sformułowanie wniosku, że rozkład stref
rozluźnienia gruntów oraz zwiększonego przepływu wód gruntowych stwarza zagrożenie dla
stateczności korpusu zapory.
1. Wstęp
Przedstawione w artykule badania geofizyczne (sejsmika refrakcyjna, badania
georadarowe, tomografia geoelektryczna, sejsmika CSWS/SASW - Continuous Surface Wave
System / Spectral Analysis of Surface Waves) miały na celu ocenę budowy i właściwości
gruntów, przede wszystkim pod kątem określenia zróżnicowania głębokości stropu gruntów
słabo przepuszczalnych, jak również zlokalizowanie stref rozluźnienia gruntów w obrębie
158
R. MIESZKOWSKI, S. KOWALCZYK, M. BARAŃSKI, T. SZCZEPAŃSKI – Zastosowanie …
skarpy korpusu zapory, które pośrednio mogą wskazywać na możliwość istnienia bądź
wystąpienia procesów sufozyjnych. Rozluźnienia takie, zasygnalizowane wcześniej
w wynikach sondowań CPT, mogą stwarzać zagrożenie dla stateczności skarpy zapory
ziemnej. Dodatkowym zadaniem, jakie postawili sobie autorzy, była próba lokalizacji stref
zwiększonego przepływu wód gruntowych. Liczbę wykonanych badań geofizycznych
zestawiono w tabeli 1 zaś lokalizacja profili i punktów badawczych została przedstawiona na
rysunku 1.
Tabela 1.1. Zakres i rodzaj wykonanych badań geofizycznych.
Table 1.1. Type and range of geophysical survey.
Wykonana liczba badań
Długość profili pomiarowych
Sejsmika refrakcyjna
3 profile
85 m
2.
Badania georadarowe
11 profili
od 33 do 200 m
3.
Tomografia geoelektryczna
4 profile
od 110 m do 280 m
4.
Sejsmika inżynierska CSWS/SASW
37 punktów
-
Lp.
Rodzaj badania
1.
Rys. 1.1. Mapa dokumentacyjna obszaru badań z zaznaczeniem położenia profili geofizycznych.
Fig. 1.1. Documentary map of research area with geophysical profiles.
Proces sufozji jest procesem złożonym i zróżnicowanym. Zróżnicowanie to zależy od
charakteru i budowy geologicznej środowiska geologicznego, warunków hydrogeologicznych
159
SYMPOZJUM 2014: Geofizyka stosowana w zagadnieniach górniczych, inżynierskich
i środowiskowych
oraz okresu, w którym ten proces zachodzi (Kowalski 1988). Sufozja polega na rozmywaniu,
wymywaniu i odprowadzaniu z ośrodka gruntowego cząstek mineralnych przez wody pod
działaniem ciśnienia hydrodynamicznego w wyniku czego następuje wzrost porowatości
i rozluźnienie gruntu, a w konsekwencji spadek jego parametrów wytrzymałościowych. Zatem
do zaistnienia procesu sufozji konieczne jest spełnienie dwóch warunków: występowanie
gruntu podatnego na sufozję, co można stwierdzić badaniami laboratoryjnymi oraz istnienie
odpowiednio dużego ciśnienia spływowego.
Należy tu wyraźnie zaznaczyć, że metodami geofizycznymi nie da się bezpośrednio
stwierdzić zachodzenia procesu sufozyjnego w gruncie oraz jego podatności na ten proces
(Bestyński i in. 2008). Można jedynie, poprzez względną ocenę sztywności gruntu bądź
istnienie anomalii w obrazie georadarowym, pośrednio wnioskować o efekcie procesu sufozji
na podstawie stref rozluźnień w gruncie i przy wystąpieniu innych przesłanek np. wynoszenie
drobnych cząstek w drenażu, ocenę sufozyjności gruntów na podstawie badań
granulometrycznych.
2. Metodyka badań geofizycznych
2.1. Metoda georadarowa
Badania georadarowe (GPR) sąjedną z metod geofizyki stosowanej do ciągłego
odwzorowania budowy badanego ośrodka (Karczewski 2007; Jol 2009). Zasięg prospekcji
geo- radarowej jest uzależniony od dwóch głównych czynników: częstotliwości nominalnej
anteny nadawczej oraz właściwości elektrycznych badanego ośrodka. Im mniejsza
częstotliwość anteny nadawczej tym większa jest głębokość penetracji, ale mniejsza
rozdzielczość pomiaru. Z kolei tłumienie fali elektromagnetycznej jest wprost proporcjonalne
do przewodności elektrycznej, a odwrotnie proporcjonalne do względnej przenikalności
elektrycznej (Karczewski 2007):
(2.1)
gdzie:
a – współczynnik tłumienia,
 – przewodność elektryczna,
r – względna przenikalność elektryczna.
W tracie prac wykorzystano system radarowy RAMAC GPR produkcji szwedzkiej firmy
MalaGeoscience. System przeznaczony jest do przypowierzchniowej prospekcji geofizycznej
ośrodka geologicznego za pomocą fal elektromagnetycznych. Badania przeprowadzono
z użyciem ekranowanej anteny nadawczej o częstotliwości nominalnej emitowanej fali
elektromagnetycznej wynoszącej 100 MHz.
Użyty do badań system georadarowy wyposażony był w komputer przenośny typu
notebook wraz z fabrycznym oprogramowaniem Ramac GroundVision przeznaczonym do
akwizycji danych pomiarowych, ich analizy i uproszczonego przetwarzania bezpośrednio w
terenie.
Przeprowadzono pomiary wzdłuż jedenastu profili o długości od około 33 do 200 m.
Lokalizację profili przedstawiono na rysunku 1. Na wszystkich wykonanych profilach
zastosowano identyczne parametry rejestracji fal odbitych: krok wzbudzania i rejestracji
160
R. MIESZKOWSKI, S. KOWALCZYK, M. BARAŃSKI, T. SZCZEPAŃSKI – Zastosowanie …
wynosił 0,03 m, przy 4-krotnym składaniu na trasę. Składanie sygnału stosuje się w celu
wzmocnienia słabych amplitud refleksów użytecznych i ograniczenia możliwości rejestracji
przypadkowych i niskoamplitudowych szumów. Rejestracja tras prowadzona była w oknie
czasowym równym 30 ns.
2.2. Metoda sejsmiki refrakcyjnej
Badania sejsmiczne refrakcyjne wykorzystują fale sejsmiczne refrakcyjne, czyli fale
padające na granicę dwóch ośrodków pod kątem granicznym, przy czym ośrodek leżący niżej
charakteryzuje się większymi prędkościami fal sejsmicznych. Pomiary wykonano metodą
profilowania 18- i 20-kanałowym rozstawem pomiarowym o długości 85 m. Odległości
między kolejnymi geofonami wynosiły 5 m, a fale sejsmiczne, dla każdego rozstawu,
wzbudzano na obydwóch jego końcach oraz wzdłuż rozstawu w odstępach co 10-15 m.
W pomiarach fale sejsmiczne wzbudzano udarowo, młotem o ciężarze 8 kg, a rejestrowano
geofonami o częstotliwości 28 Hz i aparaturą sejsmiczną DMT Summit z zapisem cyfrowym.
Zastosowana metodyka pomiarów umożliwiła szczegółowe zróżnicowanie prędkości fal
sejsmicznych w przypowierzchniowej warstwie ośrodka oraz ciągłe śledzenie granic
sejsmicznych zalegających na głębokości do około 40 m p.p.t.
Na podstawie otrzymanych wartości czasu przyjścia fali refrakcyjnej odwzorowano
zmiany prędkości fal sejsmicznych podłużnych wzdłuż granic sejsmicznych. Obliczenia
wykonano techniką komputerową z wykorzystaniem licencjonowanego oprogramowania
ReflexW.
2.3. Metoda sejsmiki fal powierzchniowych
W metodach sejsmiki fal powierzchniowych wykorzystuje się falę powierzchniową
Rayleigha (Matthews i in. 2000). Fala ta rozchodzi się promieniście od miejsca zaburzenia
ośrodka blisko jego powierzchni (do głębokości równej około długości fali), z prędkością
zależną od częstotliwości (zjawisko dyspersji), właściwości sprężystych i gęstości gruntu.
W systemie Spectral Analysis of Surface Waves (SASW) sygnał wzbudza się np. przez
uderzenie młotkiem. Generowany jest szeroki zakres częstotliwości. Fala dociera do geofonów
rozstawionych w linii prostej od źródła, w znanych odległościach. Sygnał jest analizowany
pod kątem zawartości fal o poszczególnych częstotliwościach, ich przesunięcia fazowego,
z czego następnie przy znanym rozstawie geofonów możemy obliczyć prędkość fazową
rozchodzenia się fali powierzchniowej Rayleigha Vr. Eksperymentalna krzywa dyspersji,
obrazująca prędkość fazową fali w zależności od jej długości, jest podstawą interpretacji
profilu 1D, prędkości fali poprzecznej Vs. Na podstawie znajomości prędkości fali poprzecznej
obliczana jest maksymalna wartość modułu ścinania G max (Lai, Wilmański 2005).
Inną odmianą tej metodyki jest zastosowanie wibratora jako źródła fal. Rozwiązanie to
nosi nazwę Continuous Surface Wave System (CSWS). W takiej konfiguracji znamy
i dowolnie programujemy częstotliwość pracy źródła drgań. Posiadana aparatura produkcji
GDS Instruments wyposażona jest w wibrator o masie inercyjnej 63 kg, programowalny
w zakresie od 6 do 600 Hz z rozdzielczością 0,1 Hz. Rozwiązanie takie umożliwia m.in.
większy wpływ na głębokość badania - im niższa częstotliwość fali powierzchniowej tym
większy zasięg strefy odkształceń sprężystych podłoża gruntowego. Zmieniając zatem zakres
161
SYMPOZJUM 2014: Geofizyka stosowana w zagadnieniach górniczych, inżynierskich
i środowiskowych
częstotliwości generowanych fal powierzchniowych uzyskuj emy różną głębokość badania
(Barański, Szczepański 2006, 2007), próbując uzyskać dane dla całego profilu.
Wynikiem badań są profile 1D sztywności gruntu, tj. rozkład zmienności maksymalnego
modułu ścinania Gmax (lub modułu Younga Emax) wraz z głębokością. Głębokość penetracji
zależna jest od warunków gruntowych. Przeciętnie dla gruntów jest to do około 10-15m,
maksymalnie sięga 30 m.
Na potrzeby badań przedstawianych w tym artykule, metody SASW i CSWS stosowano
komplementarnie i wyniki przedstawiono wspólnie. Ze względu na inne ograniczenia i zalety
metody uzupełniają się wzajemnie, pozwalając na uzyskanie pełniejszego, głębszego i bardziej
wiarygodnego rozpoznania niż gdy są używane oddzielnie.
2.4. Metoda tomografii elektrooporowej
W przeprowadzonych badaniach wykorzystano metodę tomografii elektrooporowej (ERT),
która podobnie jak inne metody elektrooporowe, bazuje na zjawisku przepływu stałego prądu
elektrycznego przez ośrodek gruntowy/skalny. W geofizycznych badaniach elektrooporowych
przedmiotem rozpoznania jest przestrzeń ośrodka geologicznego pomiędzy dwiema
elektrodami uziemianymi w gruncie, do których podłączone jest źródło prądu elektrycznego
(Szymanko, Stenzel 1993). Spadek napięcia rejestrowany za pomocą dwóch innych elektrod
(elektrody pomiarowe) jest proporcjonalny do oporności elektrycznej ośrodka. Wyznaczona
z takiego pomiaru oporność elektryczna określana jest terminem oporności pozornej. Wielkość
ta nie określa w sposób ścisły oporności elektrycznej badanego ośrodka, ale dobrze
odwzorowuje jego zróżnicowanie.
W tomografii elektrooporowej pomiary odbywają się w jednym procesie kontrolowanym
przez aparaturę pomiarową na kilkudziesięciu elektrodach rozmieszczonych równomiernie na
całej długości profilu. W trakcie pomiarów system mikroprocesorowy sukcesywnie uaktywnia
odpowiednie grupy elektrod zgodnie z wybranym przez operatora układem pomiarowym.
W efekcie wyniki pomiarów rejestrowane są wzdłuż rozstawu pomiarowego ze
szczegółowością zależną od odległości rozmieszczonych elektrod.
Zasięg głębokościowy metody tomografii elektrooporowej jest zależny od długości
stosowanych rozstawów pomiarowych oraz rozkładu oporności elektrycznych w przestrzeni
objętej pomiarem (Kirsch 2009). Rezultatem wykonanych pomiarów jest trapezowaty
przekrój, którego kształt jest efektem mniej szej liczby pomiarów na początku i na końcu oraz
wzrostu odległości między elektrodami biorącymi udział w pomiarze. Uzyskane w wyniku
badań przekroje obrazują, za pomocą izolinii, poziomą i pionową zmienność oporności
pozornej wzdłuż linii pomiarowej.
Pomiary wykonano urządzeniem ARES czeskiej firmy GF Instruments w układzie elektrod
według schematu Wennera. Odstępy między elektrodami wzdłuż linii profilu wynosiły 2m.
Długości profili pomiarowych wynosiły od 110m(ERT 4) do 280 m (ERT 3). Uzyskany
w pomiarach zasięg głębokościowy rozpoznania oporności ośrodka wynosił do 40 m.
162
R. MIESZKOWSKI, S. KOWALCZYK, M. BARAŃSKI, T. SZCZEPAŃSKI – Zastosowanie …
3. Wyniki badań i ich analiza
3.1. Metoda georadarowa
Pomiary georadarowe miały za zadanie wskazanie stref rozluźnienia gruntów.
W zależności od lokalnych warunków gruntowych zasięg rozpoznania wynosił kilkanaście
metrów. Podczas interpretacji profili GPR wykorzystano wyniki badań wykonanych metodą
sejsmiki CSWS oraz archiwalnych sondowań statycznych. Zauważono, że wmiejscach, gdzie
stwierdzono rozluźnienie gruntu na podstawie wyżej wymienionych badań polowych, na
echo- gramach często zaznaczają się strefy tłumienia fal elektromagnetycznych, objawiające
się brakiem refleksów. Może to być spowodowane zmianami wilgotności gruntu lub/i
lokalnym nagromadzeniem pyłów.
Wskazane na echogramach potencjalne obszary rozluźnienia gruntów mogą również
odnosić się pośrednio do stref występowania procesów sufozyjnych. Założenie to przyjęto do
opisu obszarów, w których nie były wykonywane badania polowe.
W wielu miejscach na echogramach stwierdzono istnienie zaburzeń obrazu spowodowane
przebiegiem podziemnych instalacji. Utrudniały one, a nawet miejscami uniemożliwiały,
interpretacje zapisu georadarowego. Poza tym analiza echogramów wykazała istnienie kilku granic
refleksyjnych: poziom wody gruntowej oraz nieciągłe granice w obrębie gruntów niespoistych.
Wybrane rezultaty przetworzonych i zinterpretowanych pomiarów georadarowych przedstawiono
na rysunku 3.1.
Rys. 3.1. Profile GPR nr 6 i 7.
Fig. 3.1. GPR profiles number 6 and 7.
3.2. Metoda sejsmiki refrakcyjnej
Celem pomiarów sejsmicznych było określenie głębokości stropu gruntów o małej
przepuszczalności. Z uwagi na drgania wywołane obecnością pracującej hydroelektrowni oraz
drogi o dużym natężeniu ruchu, otrzymane sejsmogramy charakteryzowały się dużym szumem,
który utrudniał przetwarzanie sygnału i rzutował na dokładność otrzymanych wyników.
163
SYMPOZJUM 2014: Geofizyka stosowana w zagadnieniach górniczych, inżynierskich
i środowiskowych
Na wszystkich profilach wyodrębniono trzy warstwy, różniące się prędkością rozchodzenia
się fal podłużnych (Tab. 2.1). Pierwszą warstwę, o małej prędkości około 312-430 m/s,
generalnie należy korelować z warstwą gruntów niespoistych w strefie aeracji. Drugą warstwę,
o prędkości w przedziale 1470-1580 m/s, należy odnieść do zawodnionych gruntów
niespoistych. Granica trzeciej warstwy, charakteryzująca się prędkościami 1860-1960 m/s,
odpowiada stropowi gruntów spoistych. Rezultaty przetwarzania i interpretacji pomiarów
sejsmicznych zostały przedstawione na rysunku 3.2.
Tabela 2.1. Wartości prędkości fal sejsmicznych.
Table 2.1. Values of P-wave velocity.
Nr warstwy
Zakres zmian prędkość fali podłużnej [m/s]
1
312-430
2
1470-1580
3
1860-1960
Wydzielone granice sejsmiczne odpowiadają w przybliżeniu granicom nawierconym
w otworach wiertniczych, zlokalizowanych w pobliżu profili sejsmicznych. Pewne
rozbieżności występują na profilu nr 1, co może być spowodowane szumami zakłócającymi
rejestrację.
Rys. 3.2. Interpretacja przekrojów sejsmicznych 1-3.
Fig. 3.2. Interpretation of seismic cross sections 1-3.
164
R. MIESZKOWSKI, S. KOWALCZYK, M. BARAŃSKI, T. SZCZEPAŃSKI – Zastosowanie …
3.3. Metody sejsmiczne CSWS/SASW
Głównym celem badań tymi metodami była próba lokalizacji i weryfikacji wcześniej
zlokalizowanych za pomocą archiwalnych sondowań statycznych gruntów stref przypuszczalnego
rozluźnienia typu sufozyjnego w obrębie korpusu zapory. Głębokość rozpoznania zmian modułu
ścinania gruntów budujących korpus zapory sięgnęła do około 11 m p.p.t. Wybrane wykresy
rozkładu wartości modułu ścinania G max przedstawiono na Rysunku 3.3.
Rys. 3.3. Wykresy rozkładu modułu ścinania Gmax otrzymane metodami CSWS/SASW sondowanie
nr 1 - a; sondowanie nr 2 - b; sondowanie nr 19 – c.
Fig. 3.3. Distribution of shear modulus Gmax obtained by CSWS/SASW point number 1 - a ; point
number 2 - b; point number 19 – c.
Wyniki pomiarów modułu ścinania Gmax zarejestrowane w sondowaniu nr 1 (rys. 3.3a)
wykazują wyraźne zmniejszenie wartości modułu w zakresie 6-8 m p.p.t. Ta anomalia może
sugerować lokalne rozluźnienie gruntów. W sondowaniu nr 2 (rys. 3.3b) stwierdzono
występowanie dwóch stref anomalnych w rozkładzie modułu G max, w przedziale głębokości
2-4 m p.p.t oraz 6-8 m p.p.t. Strefy te również mogą odnosić się do stref rozluźnienia gruntów.
Sondowanie nr 19 (rys. 3.3c) pokazuje zbliżony do liniowego przyrost wartości modułu G max
wraz z głębokością. Na krzywej tej nie zaobserwowano żadnych anomalii rozkładu modułu.
Oznacza to, że w miejscu wykonania sondowania nr 19 nie stwierdzono rozluźnienia gruntów.
3.4. Metoda tomografii elektrooporowej
Pomiary wykonane metodą tomografii elektrooporowej objęły swoim zasięgiem korpus
zapory. Wybrane wyniki pomiarów przedstawiono na przekroju elektrooporowym (rys. 3.4)
i przekroju z interpretacją geologiczną (rys. 3.5), na których zaznaczono granice ośrodków
o różnych właściwościach elektrycznych.
165
Rys. 3.5. Przekrój geoelektryczny z elementami budowy geologicznej w korpusie zapory (profil nr 1).
Fig. 3.5. Interpretation of DC survey in the body of the dam (profile nr 1).
Rys. 3.4. Rozkład oporności wyinterpretowanej w wyniku inwersji w korpusie zapory (profil nr 1).
Fig. 3.4. The distribution of the resistivity in the body of the dam (profile nr 1).
SYMPOZJUM 2014: Geofizyka stosowana w zagadnieniach górniczych, inżynierskich
i środowiskowych
166
R. MIESZKOWSKI, S. KOWALCZYK, M. BARAŃSKI, T. SZCZEPAŃSKI – Zastosowanie …
Należy zwrócić uwagę na fakt, że w przypadku pomiarów geoelektrycznych na badanym
odcinku ośrodek mierzony jest w bardzo wielu punktach. Na wybranym profilu uzyskano
wartości oporności w 1590 punktach. Zastosowanie tego typu pomiarów w dowiązaniu do
istniejących archiwalnych otworów wiertniczych, dało bardzo dobre rozpoznanie budowy
geologicznej. Na rysunku 3.5 zaznaczono archiwalne wiercenia geologiczne oraz zrzutowano
wiercenia znajdujące się w pobliżu linii przekroju.
W obrazie geoelektrycznym można wyróżnić dwa kompleksy osadów różniących się
opornościami elektrycznymi. Najwyżej leżący kompleks cechuje się opornościami, wyinterpretowanymi w wyniku inwersji, powyżej 200 Qm miejscami przekraczającymi 1000-3000
Qm w stropie kompleksu. Kompleks ten, odzwierciedlający utwory piaszczyste budujące
zaporę, jest mało zróżnicowany w poziomie, a oporność wzrasta ku jego stropowi, co
prawdopodobnie związane jest ze spadkiem wilgotności. Miąższość kompleksu, wyznaczona
na podstawie badań geoelektrycznych, koreluje się z danymi z otworów badawczych
zaznaczonych na przekrojach geoelektrycznych. Osady leżące poniżej wymienionej warstwy
zinterpretowano jako utwory o małej przepuszczalności, zbudowane głównie z utworów
gliniastych, lokalnie z glin piaszczystych, pyłów, iłów. W przypadku tego kompleksu również
zachodzi dobra korelacja przebiegu granicy, wyznaczonej na podstawie badań
elektrooporowych z otworami archiwalnymi (rys. 3.5). Badania geoelektryczne mogą stanowić
podstawę wyznaczenia przebiegu granicy pomiędzy utworami przepuszczalnymi oraz
nieprzepuszczalnymi. Przestrzenne zróżnicowanie powierzchni stropowej utworów słabo
przepuszczalnych przedstawiono na rysunku 3.6. Na uwagę zasługują zmierzone
w profilu nr 1 na rzędnych 36-42 m n.p.m. (rys. 3.4 i 3.5) wyraźne dwie strefy
o podwyższonych opornościach elektrycznych, które odpowiadają niespoistym gruntom
zawodnionym. Przez tę strefę może zachodzić przepływ wód podziemnych pod zaporą.
Rys. 3.6. Mapa stropu gruntów półprzepuszczalnych i nieprzepuszczalnych wyznaczona na podstawie
interpretacji pomiarów geoelektrycznych, sejsmiki refrakcyjnej oraz danych z otworów wiertniczych.
Fig. 3.6. Map of the depth of the roof surface of cohesive soils based on interpretation of resistivity
survey, seismic refraction, and data from borehole.
167
SYMPOZJUM 2014: Geofizyka stosowana w zagadnieniach górniczych, inżynierskich
i środowiskowych
Analiza wszystkich wyników badań geofizycznych pozwoliła na zlokalizowanie obszarów
rozluźnienia gruntów oraz stref zwiększonego przepływu wód podziemnych, co zostało
przedstawione na rysunku 3.7.
Rys. 3.7. Mapa lokalizacji stref rozluźnienia gruntów oraz zwiększonego przepływu wód gruntowych.
Fig. 3.7. Location map of relaxation zones of soils and increased groundwater flow.
4. Podsumowanie
W artykule omówiono wyniki czterech metod geofizycznych (sejsmiki CSWS/SASW,
sejsmiki refrakcyjnej, tomografii elektrooporowej oraz GPR). Zastosowane metody
geofizyczne pozwoliły na uszczegółowienie budowy geologicznej między otworami
wiertniczymi, a wykorzystanie informacji geologicznej z wierceń pozwoliło na bardziej
jednoznaczną interpretację przeprowadzonych pomiarów geofizycznych.
Kompleksowe zastosowanie metod geofizycznych umożliwiło wskazanie sześciu stref
rozluźnienia gruntu oraz dwóch stref zwiększonego przepływu wody gruntowej. Wyznaczono
również położenie stropu osadów półprzepuszczalnych (glin polodowcowych) przede
wszystkim opierając się na interpretacji pomiarów tomografii elektrooporowej oraz sejsmiki
refrakcyjnej skorelowanych z danymi z otworów wiertniczych. Przetwarzanie oraz
interpretacja sejsmogramów było utrudnione ze względu na drgania wywołane obecnością
pracującej hydroelektrowni oraz drogi o dużym natężeniu ruchu, które emitowały szum.
Metoda ERT umożliwiła również wykrycie dwóch stref o podwyższonych opornościach
poniżej osadów półprzepuszczalnych. Strefy te należy korelować z osadami niespoistymi,
168
R. MIESZKOWSKI, S. KOWALCZYK, M. BARAŃSKI, T. SZCZEPAŃSKI – Zastosowanie …
przez które może infiltrować woda podziemna pod hydroelektrownią. Pomiary wykonane
metodą sejsmiczną CSWS/SASW umożliwiły określenie zmienności wartości modułu ścinania. W gruntach o nienaruszonej strukturze, w których nie zachodzą deformacje filtracyjne,
wartość modułu Gmax wzrasta wraz z głębokością. Natomiast w miejscach gdzie zachodzą te
procesy zauważono wyraźne anomalie w rozkładzie wartości modułu G max. Badania
georadarowe okazały się mało efektywne ze względu na liczną infrastrukturę techniczną
obecną w gruncie, która powodowała duże zakłócenie na echogramach GPR. Niemniej w
strefach gdzie zachodził proces sufozji, charakteryzujących się podwyższoną wilgotnością
gruntu, zauważono charakterystyczne zniekształcenia fal na obrazie falowym.
Analiza wszystkich wyników badań geofizycznych pozwoliła na zlokalizowanie (rys. 3.7)
obszarów rozluźnienia gruntów oraz stref zwiększonego przepływu wód podziemnych. W
korpusie zapory daje się wyróżnić sześć obszarów, w obrębie których grunty są rozluźnione.
Obszary A i B są niewielkie i nie stanowią zagrożenia dla stateczności zapory. Obszary: C, D,
E i F są bardziej rozległe i występują w bezpośrednim sąsiedztwie infrastruktury technicznej
zapory oraz urządzeń hydrotechnicznych. Należy podkreślić, że najbardziej rozległa jest strefa
D. W strefie tej występują również miejsca zwiększonego przepływu wód podziemnych.
Według danych archiwalnych w obrębie strefy D i E, w roku 1997, powstało osuwisko, które
zniszczyło część infrastruktury technicznej hydroelektrowni. Zniszczone fragmenty
hydroelektrowni zostały naprawione, niemniej interpretacja uzyskanych wyników wskazuje,
że w dalszym ciągu skarpa zapory jest narażona na utratę równowagi. Rozkład stref
rozluźnienia gruntów oraz zwiększonego przepływu wód gruntowych stwarza zagrożenie dla
stateczności korpusu zapory.
Literatura
[1] Barański M., Szczepański T. 2006: Wykorzystanie metod sejsmiki powierzchniowej (CSWS,
SASW) do wyznaczania parametrów sprężystych gruntu. Zeszyty Naukowe Politechniki
Białostockiej, Budownictwo 28, 9-18.
[2] Barański M., Szczepański T. 2007: Zastosowanie metod sejsmiki powierzchniowej do oceny
modułu G gruntu. Czasopismo Techniczne, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 1-Ś, 17-25.
[3] Bestyński Z., Hrabowski W., Pacanowski G. 2008: Ocena skuteczności uszczelnienia obwałowań
przeciwpowodziowych metodami geofizycznymi. PPKG, Abstrakty, Polskie Towarzystwo
Geologiczne, Kraków, 11.
[4] Jol H.M. (ed.) 2009: Ground Penetrating Radar: Theory and Application. 1st ed., Elsevier.
[5] Lai C. G., Wilmański K. 2005: Surface waves in geomechanics: Direct and Inverse modelling for
soils and rocks. CISM Courses nad lecture No. 481, Springer, Wiedeń, New York.
[6] Karczewski J. 2007: Zarys metody georadarowej. Wydawnictwa AGH, Wydanie 1, Kraków.
[7] Kirsch R., (ed.) 2009: Groundwater Geophysics, A Tool for Hydrogeology, 2en ed., Springer.
[8] Kowalski W.C. 1988: Geologia inżynierska, Warszawa 1988, Wydawnictwa Geologiczne.
[9] Matthews M.C. Clayton C.R.I., Own Y. 2000: The use of geophysical techniques to determine
geotechnical stifness parameters, Proc. Instn. Civ. Engrs Geotech. Engng., 143, 31-42.
[10] Szymanko J., Stenzel P. 1973: Metody geofizyczne w badaniach hydrogeologicznych
i geologiczno inżynierskich, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa.
169
SYMPOZJUM 2014: Geofizyka stosowana w zagadnieniach górniczych, inżynierskich
i środowiskowych
The use of geophysical methods to identify the roof of cohesive soils and
the designation of zones of suffosion relaxation in the body of an earth
dam
Key words
electrical Resistivity Tomography, Ground Penetrating Radar, surface wave seismic,
seismic refraction, earth dam
Summary
Geophysical methods used as a complementary survey in the investigation of substrate
allow for a qualitative assessment of the lateral variability of ground conditions in the near
surface zone. They can also permit evaluation of the vertical variation of ground conditions.
Such information is particularly important in monitoring the substratum of hydrotechnical
engineering constructions. This article presents the geophysical surveys carried out in the area
of an earth dam in order to identify places of relaxation of soils within the dam, as well as to
determine the depth of the roof of cohesive soils occurring under the dam. The following
methods were used: Electrical Resistivity Tomography (ERT), Ground Penetrating Radar
(GPR), seismic refraction (providing a two-dimensional image of the physical changes in the
medium), and surface wave seismic - Continuous Surface Wave System (CSWS) used together
with Spectral Analysis of Surface Waves (SASW). The last method made it possible to analyze
the distribution of the stiffness parameters of the medium at the measuring point. Based on the
results of ERT studies and seismic refraction, referring to drilling data, a map of the roof
surface of cohesive soils was developed. Anomalies identified in the geophysical studies made
it possible to estimate the relaxation zone of the soil that could be caused by a process of
suffosion. The observed anomalies in selected areas were correlated with drilling and Cone
Penetration Testing (CPT), which allowed the completion of the pursued objective and to draw
conclusions for the whole dam.
Przekazano: 31 marca 2014 r.
170